基于傾斜航空攝影測(cè)量的大黑山三維建模技術(shù)研究

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 遼寧 大連 116029)

引言

近年來(lái)隨著城市化的快速推進(jìn)，城市建筑的外形越來(lái)越復(fù)雜，建立精準(zhǔn)三維模型也越來(lái)越困難，因此能夠高精度地、真實(shí)地獲取和反映地物、地貌的紋理信息以及實(shí)際情況是建立完美三維模型的重要前提。王丙濤等基于傾斜攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)對(duì)丹陽(yáng)市建成區(qū)約120km2的范圍進(jìn)行了三維數(shù)字城市模型的生產(chǎn)及檢測(cè)評(píng)定[1]。牛鵬濤利用傾斜攝影技術(shù)獲取建模區(qū)域的傾斜影像,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和已有建筑的幾何模型,最終建立了以建筑物紋理與幾何模型相結(jié)合的三維模型[2]。本文首次將傾斜航空攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)應(yīng)用于大連市大黑山地區(qū)進(jìn)行三維景觀建模。

一、研究區(qū)概況

大黑山位于東經(jīng)121°44’～121°49’,北緯39°01’～39°04’，北鄰長(zhǎng)白山、千山，南接黃海、渤海，占地面積約為 23.79 km2，是大連古文化的發(fā)祥地，遼東地區(qū)著名的宗教圣地，遼寧省文物保護(hù)單位，于2007年被批準(zhǔn)為國(guó)家 AAA 級(jí)景區(qū)。

二、研究技術(shù)與方法

傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)基于多角度觀測(cè)的攝影測(cè)量技術(shù)[3]。該技術(shù)所得影像數(shù)據(jù)的地貌紋理及地物信息精度更高且更為真實(shí)，還可以通過(guò)先進(jìn)的定位、融合和建模等技術(shù)，生成直觀形象的三維模型。本研究的建模過(guò)程主要包括傾斜航空攝影測(cè)量、空中三角測(cè)量以及三維建模等步驟。

在傾斜航空攝影測(cè)量過(guò)程中本研究航攝區(qū)域設(shè)計(jì)方面滿足如下要求：1、攝區(qū)接邊：在項(xiàng)目范圍過(guò)大時(shí)，將整個(gè)區(qū)域分成若干個(gè)較小的分區(qū)，兩個(gè)分區(qū)的接邊處應(yīng)保證有 100-200 米的重疊度，以保證后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的邊緣的精度。2、航線方向：盡量保證攝區(qū)所生產(chǎn)的航線為正南北向或正東西向。3、邊界外擴(kuò)：攝區(qū)邊界根據(jù)對(duì)應(yīng)的地形、地貌，進(jìn)行適當(dāng)外擴(kuò)。在拍攝邊界有高層、超高層建筑或陡崖等近豎直地形時(shí)，邊界需外擴(kuò)一個(gè)相對(duì)航高的距離。在拍攝邊界為山地等相似地形時(shí)，邊界需外擴(kuò)約 1/2相對(duì)航高的距離。在拍攝邊界地勢(shì)較平坦且沒(méi)有較高建筑物時(shí)，邊界外擴(kuò) 1/3 相對(duì)航高即可。這樣可以確保所拍攝像片可以包含攝區(qū)邊界的所有地貌元素。4、攝區(qū)及航向大?。悍謪^(qū)面積不要過(guò)小，以保證航線長(zhǎng)度適當(dāng)，減少航線轉(zhuǎn)彎時(shí)間，提高效率，但區(qū)域同時(shí)不能過(guò)大，根據(jù)具體航飛速度計(jì)算，設(shè)計(jì)攝區(qū)所生成的航線，單條拍攝時(shí)間正常不超過(guò) 20 分鐘。這樣可以便于航線的補(bǔ)拍，并保證后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。

本研究通過(guò)直升機(jī)搭載AMC5100傾斜數(shù)碼航空照相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多視角傾斜航拍影像。其中，AMC5100 傾斜數(shù)碼航空照相機(jī)系統(tǒng)由五臺(tái)大幅面 PHASE ONE IXU 1000 航空照相機(jī)組成，集成了 Applanix POS AP20(DGPS/IMU 慣性導(dǎo)航系統(tǒng))并使用FANS(Flexible Airborne Navigation System)作為飛行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可根據(jù)需求采集不同分辨率的傾斜航空影像。

在航拍過(guò)程中，往往會(huì)經(jīng)歷多種不可抗的因素，例如，陽(yáng)光強(qiáng)度過(guò)盛，云朵遮擋，航拍區(qū)域霧霾嚴(yán)重，等等。這些都會(huì)導(dǎo)致獲取的影像精度受到一定影響。本文影像處理采用 Capture one 9 軟件，進(jìn)行勻光、勻色處理，從而修正相片過(guò)曝或者亮度不夠等問(wèn)題，使影像的色彩保持真實(shí)、統(tǒng)一。

空中三角測(cè)量亦稱作空三加密，是傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)三維建模最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。匹配影像數(shù)據(jù)的加密點(diǎn)和匹配影像關(guān)聯(lián)的控制點(diǎn)，是空三加密前進(jìn)行最重要的兩項(xiàng)工作。空三加密即通過(guò)GPS 載波相位差分定位和 POS 系統(tǒng)相結(jié)合，獲取相應(yīng)位置的姿態(tài)參數(shù)以及各像片的相關(guān)方位元素，對(duì)多視角影像自檢區(qū)域網(wǎng)平差迭代進(jìn)行運(yùn)算，在反復(fù)進(jìn)行解算后求出精度要求范圍內(nèi)的結(jié)果。本研究在Smart 3D Capture Master軟件中進(jìn)行空三加密以及三維建模，最終得到大連大黑山地區(qū)三維景觀模型。

三、總結(jié)

相比較傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)，基于傾斜航空攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)具有三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：第一、可以直觀真實(shí)反映地面情況并且能對(duì)模型中的地物進(jìn)行量測(cè)。所獲的模型囊括了地物的外觀、位置、高度等屬性，增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)給人們所帶來(lái)的真實(shí)感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低缺點(diǎn)的同時(shí),擴(kuò)大了傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用范圍。第二、高性價(jià)比。傾斜航空攝影測(cè)量所獲得的影像數(shù)據(jù)可量測(cè)空間位置信息，可輸出格式也較為多樣，包括DSM、DOM、DLG 等多種格式。在滿足傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的同時(shí)可獲得更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。第三、高效率。借助旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、動(dòng)力三角翼、直升機(jī)、運(yùn) 5、運(yùn) 12 等多種飛行載體，傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)可以快速采集影像數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的三維建模。本研究證明:人工建立大黑山三維建模需要1～2 年的時(shí)間，而借助傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)在2～4個(gè)月內(nèi)可完成，大大提高了工作效率。